Mesure de la section efficace de production de paires de photons isolés dans l'expérience ATLAS au LHC et étude des couplages à quatre photons

par Matthias Saimpert

Thèse de doctorat en Physique des particules

Sous la direction de Laurent Schoeffel.


  • Résumé

    Le LHC, qui est le collisionneur proton-proton le plus puissant du monde situé au CERN (Suisse), donne une occasion unique de pouvoir tester nos connaissances des interactions fondamentales à l'échelle du TeV. Au cours de cette thèse, deux projets ont été accomplis dans ce but. Tout d'abord, la mesure de la section efficace de production d'au moins deux photons dans l'état final (pp→γγ+X) a été réalisée à l'aide des données prises avec une énergie dans le centre de masse de 8 TeV par le détecteur ATLAS, qui est l'un des détecteurs polyvalents installé autour du LHC. Les photons sont des particules intéressantes pour tester la théorie de l'interaction forte (chromodynamique quantique ou QCD) car ils sont couplés aux quarks et aux gluons sans pour autant s'hadroniser, ce qui permet de pouvoir les mesurer avec une très bonne résolution. La mesure de leur taux de production au LHC permet de tester la QCD à la fois dans le domaine perturbatif et non-perturbatif. Elle est également sensible à l'émission de particules à basse énergie dans l'état initial, qui est un phénomène délicat à décrire d'un point de vue théorique à cause des divergences molles et collinéaires découlant de la QCD. Les incertitudes expérimentales ont été divisées par un facteur 2 ou plus comparé aux mesures réalisées précédemment au LHC ou au Tevatron (Fermilab, États-Unis) et la très bonne statistique des données d'ATLAS à 8 TeV a permis une augmentation significative à la fois de la résolution et de la portée de la mesure. En général, un bon accord est observé avec les prédictions théoriques. Le second projet réalisé au cours de la thèse est consacré à l'évaluation du potentiel de découverte relié à la mesure de la diffusion γγ au LHC (γγ→γγ). La diffusion γγ est un processus singulier car prédit uniquement via des fluctuations quantiques qui n'a jamais été observé directement. Il implique un terme de couplage à quatre photons, qui montre une sensibilité significative à une large gamme de modèles d'extension du modèle standard à haute énergie, tels que ceux prédisant l'existence de dimensions supplémentaires de l'espace pour résoudre le problème de hiérarchie. En tirant profit du flux important de photons venant des protons au LHC, je montre qu'il est possible de découvrir des couplages anomaux à quatre photons avec une sensibilité permettant de rivaliser avec certaines recherches directes. Enfin, j'ai eu l'occasion de tester la nouvelle puce SAMPIC qui vise à réaliser des mesures de temps de vol avec une précision de l'ordre de quelques picosecondes grâce à un échantillonnage rapide des signaux de détecteur. Les performances de SAMPIC ont été testées à partir de signaux gaussiens produits par un générateur et par des détecteurs soumis à des impulsions infrarouges. Dans ces conditions idéales, SAMPIC permet de réaliser des mesures de temps de vol avec une résolution de l'ordre de 4 (40) ps pour les signaux générés (de détecteurs).

  • Titre traduit

    Measurement of the isolated di-photon cross section with the ATLAS detector at the LHC and study of four photon couplings


  • Résumé

    The LHC, which is the most powerful proton-proton collider in the world located at CERN (Switzerland), brings unprecedented opportunities to test our knowledge of the fundamental interactions at the TeV scale. In this work, two main projects have been achieved for this purpose. First, the production cross section measurement of at least two photons in the final state (pp→γγ+X) is performed with data taken at a center-of-mass energy of 8 TeV by the ATLAS detector, which is one of the multipurpose detector installed around the LHC ring. Photons are interesting probes to test the theory of strong interactions (Quantum chromodynamics or QCD) since they couple significantly to quarks and gluons but do not hadronize and thus still allow to perform high resolution measurements. The measurement of their production rate at the LHC allows to test QCD in both the perturbative and the non-perturbative domain. It is also sensitive to the emission of soft particles in the initial-state, which is tricky to handle on the theory side due to the collinear and soft divergences arising in QCD. Experimental uncertainties have been reduced by a factor 2 or more with respect to the measurements performed previously at the LHC or at the Tevatron (Fermilab, USA) and the high statistics of the ATLAS data sample at 8 TeV allows to increase significantly both the reach and the resolution of the measurement. In general, a good agreement is observed with theoretical predictions. The second project achieved in this work is dedicated to the evaluation of the light-by-light scattering potential (LbyL, γγ→γγ) for new physics searches. LbyL is an intriguing process arising from quantum fluctuations only that has never been observed directly. It involves four-photon couplings, which are shown to be highly sensitive to a broad range of new physics models at high energy such as the ones predicting the existence of extra spatial dimensions to solve the hierarchy problem currently affecting the standard model of particle physics. By taking benefit of the photon flux from the protons at the LHC, I show that one may discover anomalous four photon couplings with a sensitivity allowing to compete with several direct new physics searches. Finally, I had the opportunity to test the new SAMPIC chip which aims to perform time-of-flight measurements with a few picoseconds precision from fast samplings of detector signals. SAMPIC timing capabilities have been tested using Gaussian signals generated by a signal generator or by silicon detectors pulsed with an infrared laser. Under these ideal conditions, the SAMPIC chip has proven to be capable of timing resolutions down to 4 (40) ps with synthesized (silicon detector) signals.


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